Досліджував історію населення України доби мезоліту, неоліту й мідної доби, а також суміжних територій Східної Європи. Фахівець у галузі первісної археології та козацької доби. Керував великими комплексними археологічним експедиціями, такими як «Кременчуцька», «Дніпродзержинська», «Дніпро—Донбас», «Славутич» та іншими. Під його керівництвом розкопано багато пам'яток, що стали опорними для розуміння різних періодів первісної доби, зокрема у 1970 році експедиція вченого знайшла залишки пеньківського поселення у вигляді скупчень ліпної товстостінної кераміки на лівому березі Орелі біля села Котовки[5].
Автор понад 300 наукових праць, у тому числі 8 монографій, дві з яких опубліковані за кордоном. Ним видано 12 брошур та більш як 250 науково-популярних статей у газетах та журналах з археологічної тематики. Крім того він є співавтором низки колективних монографій та підручників. Серед робіт:
Дніпро-донецька культура: до історії населення епохи неоліту — раннього металу півдня Східної Європи. — К.: Наукова думка, 1968. — 254 с.
Середньостогівська культура епохи міді. — К.: Наукова думка, 1973. — 172 с.
Мезолітичні пам'ятки України (ІХ-VI тис. до н. е.). — К.: Наукова думка, 1982. — 256 с.
Памятники эпохи мезолита на территории Украинской ССР. — К.: Наукова думка, 1985. — 184 с. (рос.)
Telegin D. Dereivka. A settlement and Cemetery of Copper Age Horse Keepers on the Middle Dnieper // BAR International Series 287. — Oxford, 1986. 185 s. (англ.)
Виявляти та охороняти стародавні скульптури та петрогліфи. — К.: Знання, 1989
Неолитические могильники мариупольского типа. — К.: Наукова думка, 1991. — 96 с. (рос.)
Археологія України: Підручник. — К., 1994. — 318 с. (у співавторстві з Іоном Винокуром).
До 70-річчя Д. Я. Телегіна // Археологія. — № 4, 1989. — С. 152—153;
Мезенцева Г. Г., Дослідники археології України. Енциклопедичний словник. — Чернігів, 1997. — С. 28;
До 80-річчя Д. Я. Телегіна // Археологія. — 1999. — № 3. — С. 142—145;
Конча С. В., Титова О. М. Людина творчого пошуку. (До 85-річчя Д. Я. Телегіна) // Кам'яна доба України. — Вип.7. До 85-річчя Д. Я. Телегіна. — К.: Шлях, 2005. — С. 6-10.
Залізняк Л. Л., Мезоліт заходу Східної Європи. / Кам'яна доба України. — Вип. 7. 90-річчю Дмитра Яковича Телегіна присвяується. — К.: Шлях, 2009. — 278 с.